车用内置式永磁同步电机损耗最小控制研究

林 立，赵海艳，王 尊，彭志华

(邵阳学院 多电源地区电网运行与控制湖南省重点实验室，湖南 邵阳，422000)

车用内置式永磁同步电机损耗最小控制研究

林 立，赵海艳，王 尊，彭志华

(邵阳学院 多电源地区电网运行与控制湖南省重点实验室，湖南 邵阳，422000)

降低内置式永磁同步电机的损耗，提高系统的效率，对于提高电动汽车的一次充电续驶里程具有重要意义。文中研究了计及铁损的内置式永磁同步电机损耗最小控制策略，与id=0及最大转矩比电流控制策略相比，电驱动系统效率有所提高，系统仿真和实验验证了所研控制策略的有效性，该控制策略在新能源电动汽车上有较好的应用价值。

电动汽车；内置式永磁同步电机；损耗最小控制

能源危机、环境污染日益严重，发展新能源电动汽车是解决这一问题的有效途径。电池、电机、电控是新能源电动汽车的三大关键零部件[1-2]，在电池储能技术没有根本解决的情况下，提高驱动系统的效率，是发展和推广新能源电动汽车的有效途径。内置式永磁同步电机(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor，IPMSM)因具有高转矩功率密度、高效率、宽调速等优点在电动汽车电驱动系统中得到广泛应用。围绕提高IPMSM电驱动系统的效率问题，国内外科研工作者进行了大量的研究。文献[3]研究了最大转矩电流比(Maximum Torque Per Ampere,MTPA)控制策略，减少了铜损，但未计及铁损；文中在文献[4-7]研究的基础上，综合考虑计及铜损和铁损在内的损耗最小控制策略，分析了系统原理，建立精确的IPMSM数学模型，寻找损耗最小的最优励磁电流和转矩电流，实现了IPMSM系统的效率优化控制，并进行了系统仿真和实验，与id=0控制与MTPA控制策略相比，电驱动系统效率有较大的提高，该控制策略在新能源电动汽车上有较好的应用价值。

1 损耗最小控制系统结构

电动汽车用内置式永磁同步电机损耗最小控制的原理是，基于永磁同步电机矢量控制原理，考虑IPMSM的铁芯损耗和铜损，运用数学工具，结合精确的IPMSM数学模型，寻找最优的励磁电流和转矩电流，实现对车用IPMSM的损耗最小效率优化控制。控制系统的结构如图1所示，系统由蓄电池、逆变器、IPMSM和基于DSP 2812的控制系统组成。

图1 车用内置式永磁同步电机损耗最小控制结构图Fig.1 Minimum loss control structure diagram of interior permanent magnet synchronous motor for vehicle

2 损耗最小控制数学模型

在dq旋转坐标系下，考虑铁损和铜损的IPMSM等效电路如图2所示,励磁电流id被分解为i0d和icd；转矩电流iq被分解为i0q和icq，图2中，Rs为定子电阻，Rc为铁耗电阻，ω为转子旋转电角速度，ψr为永磁磁链，Ld、Lq为dq轴电感，Ud、Uq为dq轴电压。

图2 dq旋转坐标系下，计及铁损和铜损的IPMSM等效电路图Fig.2 Equivalent circuit diagram of permanent magnet synchronous motor considering iron loss and copper loss in dq coordinate system

3 损耗最小控制策略

内置式永磁同步电机在运行过程中存在铜损和铁损。由图2可知：

定子铜耗为：

(1)

铁心损耗为：

(2)

其中

id=iod+icd

(3)

iq=ioq+icq

(4)

由于IPMSM的Rc≫ωLd,Rc≫ωLq，即ωLd/Rc≪1,ωLq/Rc≪1。因而，式(3)-(4)可近似写为：

iq≈ioq

id≈iod

(5)

由式(1)-(5)可得总的电气损耗为：

(6)

(7)

其中，

(8)

将总损耗P总对i0d进行求导，并令导数结果为0，可得损耗最小控制的条件为：

(9)

式(9)是一个关于i0d和ω的函数，铁损电阻会随着电角速度的改变而发生变化，文中用线性插值函数来表示铁损电阻随电角速度的变化，将得到的结果代入损耗最小控制策略，获得最优励磁电流和转矩电流。

4 系统建模及仿真

在MATLAB/Simulink环境下，为便于比较id=0、最大转矩比电流控制MTPA和损耗最小控制LMC的效率，分别搭建了三种控制策略下的IPMSM矢量控制系统仿真模型，并分别对各控制策略进行仿真验证。仿真时车用IPMSM参数为：额定输出功率PN=20kW；额定转矩TN=76N·m，极对数np=3；定子等效电阻Rs=26mΩ；直轴电感Ld=0.52mH；交轴电感Lq=1.02mH；额定转速nN=2500r/min；转动惯量J=0.0071kg·m2；永磁体磁链为0.129Wb；电源电压U=330V。

图3所示为三种不同控制策略下的转速波形图，给定额定负载矩为76N·m。t=2s前，给定参考额定转速nN=2500r/min；t=2s以后，给定参考转速nN=1000r/min，由仿真波形可知，损耗最小控制转速响应更快，且表现出较为理想的动静态性能，能较好的跟踪转速的变化。

(A)id=0控制 (B)MTPA控制 (C)损耗最小控制图3 转速波形图Fig.3 Speed waveform

如图4所示，分别为不同控制策略下的效率波形图，转速nN=2500r/min，Te=76N·m，t=2s时转速降为nN=1000r/min，t=3s时，负载转矩降为40N·m。对应图4，部分仿真数据结果如表1所示：

(A)id=0控制 (B)MTPA控制 (C)损耗最小控制图4 不同控制策略下的效率图Fig.4 Efficiency waveform under different control strategies

给定条件id=0MTPALMCn=2500r/minTL=76N·m93.63%93.62%93.73%n=1000r/minTL=76N·m85.6%85.8%85.84%n=1000r/minTL=40N·m91.8%91.9%92.1%

由表1可知，不同控制条件下的三种控制策略中，LMC策略效率最高，即损耗最小，表现出良好的节能效果。

5 系统实验及结果分析

图5 系统的硬件结构图Fig.5 Hardware structure diagram of the system

为研究效率优化LMC控制策略的有效性，实验系统选用TMS320F2812 DSP 为主控芯片并辅以外围电路。实验系统原理如图5所示，主要包括整流柜、滤波电容、逆变器、内置式永磁同步电机IPMSM、DSP2812控制系统等。逆变器由六个IGBT组成，DSP2812控制系统生成六路互补的SPWM信号经光耦隔离之后，再经驱动电路，控制逆变器IGBT，IPMSM经光电编码器给QEP检测单元，从而获得IPMSM的运行转速，经效率优化LMC矢量控制后，输出电压和频率连续可调的三相交流电输送给IPMSM，实现效率优化LMC控制策略。

效率优化LMC矢量控制的软件系统包括主程序和中断服务子程序，主程序主要完成系统初始化、I/O模块初始化、ADC模块初始化、事件管理器SPWM模块初始化以及中断系统设置等。中断服务子程序是系统的核心部分，包括SPWM中断服务子程序和故障显示中断服务子程序。系统主程序采用顺序式结构运行，运行过程中可被中断子程序中断，执行完中断子程序后返回断点处继续执行主程序。其主要功能包括系统对DSP及其他外围器件进行初始化工作；然后设置相应允许中断；此外还要进行一些运行参数和控制循环的标记的设置；最后就进入后台等待状态，随时响应各中断，运行中断服务程序。系统软件的主程序流程如图6所示。

故障显示中断服务子程序的主要任务是：当控制系统出现意外不可控的情况时，那么DSP2812就会发生故障中断，立即关闭逆变器模块。实现对IPMSM的有效保护。

SPWM中断服务程序是软件系统的关键。它根据光电编码器传递的信息计算当前的转速，并完成矢量控制效率优化LMC算法以及SPWM控制。SPWM中断服务程序流程如图7所示。

图6 主程序流程图Fig.6 Master program flow chart

图7 中断流程图Fig.7 Interrupt flow chart

图8为给定转速1500r/min时转速以及相对应的电流波形，与仿真结果基本吻合。由图可知内置式永磁同步电机在LMC策略下运行时，整个调速系统运转正常，转速精度高，运行平稳，转速无微振动现象，转速波动较小，表明了控制策略的有效性。

图8 实验结果Fig.8 Experimental result

6 结论

文中研究了车用内置式永磁同步电机损耗最小控制策略，建立了系统仿真模型并进行了实验。仿真和实验结果表明，与励磁电流id=0控制策略和最大转矩比电流MTPA控制策略相比，在相同的实验条件下，LMC控制策略由于有效的考虑了铁损，效率最优，该控制策略在新能源电动汽车上有较好的应用前景。

[1]冀亨.低地板有轨电车牵引效率优化及控制策略研究[D].上海：上海工程技术大学，2015.

[2]徐淑芬.电动汽车用永磁同步电机效率优化策略研究[D].西安：长安大学,2014.

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[4]崔皆凡，李林，单宝钰.永磁同步电机驱动系统最小损耗分析[J].沈阳工业大学学报,2012,34(4):372-376.

[5]PAIRO H,ABBAS S.Effective and simplified method in maximum efficiency control of interior permanent magnet synchronous motors [J].IET Electric Power Applications,2017,11(3):447-459.

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[7]吴志红，廖忠义，朱元.基于等效电路的永磁同步电机效率优化控制[J].机电一体化,2016,09:20-28.

ResearchonMinimumLossControlofInteriorPermanentMagnetSynchronousMotorforElectricVehicle

LIN Li，ZHAO Haiyan，WANG Zun，PENG Zhihua

(Shaoyang University，Hunan Provincial Key Laboratory of Grids Operation and Control on Multi-Power Sources Area,Shaoyang 422000，China)

electric vehicle；interior permanent magnet synchronous motor；minimum loss control

1672-7010(2017)06-0043-06

TM351

A

2017-07-20

湖南省教育厅计划重点项目(NO.16A191)；湖南省科技计划项目(2016TP1023)；湖南省教育信息化创新教学应用项目(湘教科研通【2016】28号)；邵阳学院研究生科研创新项目(CX2016SY007)

林立(1972-)，男，湖南邵阳人，教授，博士，硕士生导师，主要从事电力电子与电力传动的教学与研究;E-mail:linlidexin@163.com；赵海艳(1989-)，女，邵阳学院2015级硕士研究生，从事电力电子与电力传动的研究

Received：Reducing the loss of the interior permanent magnet synchronous motor and improving the efficiency of the system is of great significance to improve the mileage of the electric vehicle.This paper has a good study of minimum loss control strategy of permanent magnet synchronous motor.Compared with the current control strategies id=0 and maximum torque per ampere，the electric drive system can improve the efficiency.System simulation and experiment results show that the control strategy has good efficiency and can be used in the new energy electric vehicle.